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DE102008009216A1 - Apparatus and method for spatially high resolution imaging of a structure of a sample - Google Patents

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DE102008009216A1
DE102008009216A1 DE102008009216A DE102008009216A DE102008009216A1 DE 102008009216 A1 DE102008009216 A1 DE 102008009216A1 DE 102008009216 A DE102008009216 A DE 102008009216A DE 102008009216 A DE102008009216 A DE 102008009216A DE 102008009216 A1 DE102008009216 A1 DE 102008009216A1
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DE
Germany
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light
molecules
excitation
sample
switching
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102008009216A
Other languages
German (de)
Inventor
Ralf Wolleschensky
Helmut Dr. Lippert
Christopher Power
Benno Dr. Radt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss MicroImaging GmbH filed Critical Carl Zeiss MicroImaging GmbH
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Priority to EP09709871.9A priority patent/EP2245494B1/en
Priority to PCT/EP2009/000677 priority patent/WO2009100830A1/en
Priority to US12/867,291 priority patent/US8362448B2/en
Priority to JP2010546236A priority patent/JP5826494B2/en
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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum räumlich hochauflösenden Abbildunge einer Struktur einer Probe, insbesondere ein Mikroskop, charakterisiert durch ein beugungsbegrenztes Auflösungsvolumen, mit mehreren zwischen unterschiedlichen Zuständen umschaltbaren Farbstoffmolekülen (UF), wobei zumindest ein Zustand fluoreszierend ist, die Fluoreszenz mit einem Objektiv (O) gesammelt und mit einem optischen System auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet wird, wobei die UF in mindestens einem Teil der Probe eine Verteilungsdichte aufweisen, die größer ist als das Inverse des beugungsbegrenzten Auflösungsvolumens, eine oder mehrere Lichtquellen zur Aussendung einer Umschaltstrahlung, um eine erste Untermenge der UF in der Probe umzuschalten, und zur Aussendung einer Anregungsstrahlung, um die erste Untermenge der UF anzuregen, wobei mindestens eine der Lichtquellen derart angeordnet ist, dass sie die Probe durchstrahlt und eine Umschaltung und/oder Fluoreszenzanregung der UF in der Probe zumindest in einer Richtung annähernd senkrecht zur optischen Achse und insbesondere im Fokus des Objektivs (O) erfolgt, wobei vorteilhaft die Umschaltung eine Photoaktivierung oder -deaktivierung der UF ist und die Lichtquelle zur Umschaltung und/oder die Lichtquelle zur Anregung eine Fokussiereanordnung zur Erzeugung eines in Richtung der Beleuchtung ausgedehnten, zumindest in einer Richtung zumindest annähernd senkrecht zur optischen Achse des Objektivs linienartigen ...Apparatus and method for spatially high-resolution imaging of a structure of a sample, in particular a microscope, characterized by a diffraction-limited resolution volume, with a plurality of switchable between different states dye molecules (UF), wherein at least one state is fluorescent, the fluorescence with a lens (O) collected and is imaged onto a spatially resolving detector with an optical system, wherein the UF in at least a portion of the sample has a distribution density greater than the inverse of the diffraction limited resolution volume, one or more light sources to emit a switching radiation to form a first subset of the UF in to switch the sample, and to emit an excitation radiation to excite the first subset of the UF, wherein at least one of the light sources is arranged so as to irradiate the sample and a switching and / or fluorescence excitation of the UF in the sample at least in one direction approximately perpendicular to the optical axis and in particular in the focus of the objective (O), wherein advantageously the switching is a photoactivation or deactivation of the UF and the light source for switching and / or the light source for excitation a focusing device for generating a in Direction of the illumination extended, at least in one direction at least approximately perpendicular to the optical axis of the lens line-like ...

Description

Stand der TechnikState of the art

Die sogenannte SPIM-Technologie (Selective-Plane-Illumination-Microscopy) ist beispielsweise in Stelzer et al. [1–4] als Mikroskopie-Verfahren beschrieben worden:

  • [1] Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006).
  • [2] Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004).
  • [3] DE 102 57 423 A1
  • [4] WO 2004/0530558 A1
The so-called SPIM technology (Selective Plane Illumination Microscopy) is described, for example, in Stelzer et al. [1-4] has been described as a microscopy method:
  • [1] Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006).
  • [2] Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004).
  • [3] DE 102 57 423 A1
  • [4] WO 2004/0530558 A1

Wie die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie erlaubt SPIM als Weitfeldtechnik die Aufnahme von 3D-Objekten in Form optischer Schnitte, wobei die Vorteile vor allem in der Geschwindigkeit, dem geringen Ausbleichen der Probe sowie einer erweiterten Eindringtiefe zu suchen sind. In der Regel werden hierzu Fluorophore in der Probe mit Laserlicht in Form eines Lichtblattes angeregt. Das Lichtblatt kann durch die Probe gescannt werden.As confocal laser scanning microscopy allows SPIM as a widefield technique the inclusion of 3D objects in the form of optical sections, the Advantages above all in the speed, the small fading the sample as well as an extended penetration depth are to be sought. As a rule, fluorophores in the sample are irradiated with laser light stimulated in the form of a light sheet. The light sheet can through the Sample will be scanned.

Durch die (rechnerische) Kombination von Bildern, die aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen wurden, lässt sich eine kugelförmige PSF erzeugen. Deren Ausdehnung ist in der Regel durch die laterale Auflösung des verwendeten Detektionsobjektivs bestimmt, welche insgesamt die erreichbare optische Auflösung im herkömmlichen SPIM-Verfahren beschränkt.By the (computational) combination of images that come from different Angles are recorded, can be a spherical Create PSF. Their extension is usually through the lateral Resolution of the detection objective used determines which overall the achievable optical resolution in the limited to conventional SPIM method.

In Breuninger et al., Optics Letters, Vol. 32, No. 13, 2007 ist das SPIM Verfahren mit einem periodisch strukturierten Lichtblatt beschrieben. Durch das periodisch strukturierte Lichtblatt erfolgt die Fluoreszenzanregung an den Orten hoher Intensität. Die Strukturierung wird zur Unterdrückung von Streulicht aus außerfokalen Ebenen und zur Auflösungssteigerung durch strukturierte Beleuchtung verwendet (siehe weiter unten im Text, Heintzmann et al. ).In Breuninger et al., Optics Letters, Vol. 13, 2007 the SPIM method is described with a periodically structured light sheet. The periodically structured light sheet fluorescence excitation takes place at the high intensity locations. The patterning is used to suppress scattered light from out-of-focus planes and to increase resolution through structured illumination (see below in the text). Heintzmann et al. ).

In WO2006/127692 ist das sogenannte PALM-Verfahren (photoactivated light microscopy) beschrieben. Das Verfahren beruht auf der Photoaktivierung einzelner gemäß den Ausdehnungen der Detektions-PSF voneinander getrennter Moleküle und deren hochgenauen Lokalisierung durch Fluoreszenzdetektion beruht.In WO2006 / 127692 is the so-called PALM method (photoactivated light microscopy) described. The method is based on the photoactivation of individual molecules separated according to the extents of the detection PSF and their highly accurate localization by fluorescence detection.

Das PALM-Verfahren so wie in WO2006/127692 beschrieben, verwendet im wesentlichen folgende primäre Schritte zur Erzeugung eines mikroskopischen Bildes mit einer gegenüber dem Standardmikroskop erhöhten optischen Auflösung:

  • 1.) Photoaktivierung von Einzelmolekülen: Durch die Aktivierung werden die Fluoreszenzeigenschaften der Moleküle geändert (Ein-/Ausschalten, Änderung des Emissionsspektrum, ...), wobei die Aktivierung so erfolgt, dass der Abstand zwischen aktivierten Molekülen größer gleich der optischen Auflösung des Standardmikroskops (gegeben durch Abbesches Auflösungsgrenze) ist.
  • 2.) Anregung der aktivierten Moleküle und Lokalisieren der Moleküle mit einem ortsauflösenden Detektor.
  • 3.) Deaktivieren der aktivierten Moleküle.
  • 4.) Wiederholung der Schritte 1–3 und Überlagerung der Lokalisationspunkte aus Schritt 2.), die aus verschiedenen Iterationschritten gewonnen wurden zu einem hochaufgelösten Bild.
The PALM method as in WO2006 / 127692 essentially uses the following primary steps to produce a microscopic image with an increased optical resolution compared to the standard microscope:
  • 1.) Photoactivation of single molecules: Activation changes the fluorescence properties of the molecules (switching on / off, changing the emission spectrum, ...), whereby the activation takes place so that the distance between activated molecules is greater than or equal to the optical resolution of the standard microscope (given by Abbe's resolution limit).
  • 2.) excitation of the activated molecules and localization of the molecules with a spatially resolving detector.
  • 3.) deactivating the activated molecules.
  • 4.) Repeat steps 1-3 and overlay the localization points from step 2.), obtained from different iterations to a high-resolution image.

Die Aktivierung erfolgt vorzugsweise in Weitfeldbeleuchtung und statistisch verteilt. Durch die Wahl der Aktivierungsenergie wird versucht, zu erreichen, dass möglichst wenige/keine Moleküle (1) mit überlappenden Beugungsscheibchen (2) auf der Kamera entstehen (siehe 1a). Überlappende Beugungsscheibchen werden jedoch in Kauf genommen und können nicht ausgewertet werden ((3) in 1b). Es entstehen dadurch Regionen, bei denen der Abstand zwischen den aktivierten Molekülen größer bzw. sehr viel größer als das Beugungsscheibchen auf der Kamera ist (4). Durch die statistische Aktivierung der Moleküle müssen für die Generierung eines hochaufgelösten Bildes zur Bestimmung der Positionen der Moleküle etwa 10000 Einzelbilder ausgewertet werden. Hierdurch müssen große Datenmengen prozessiert werden und die Messung wird verlangsamt (ca. 1 min pro hochaufgelösten Bild). Die Verrechnung der Einzelbilder zu einem hochaufgelösten Bild erfordert ca. 4 h.The activation preferably takes place in wide-field illumination and distributed statistically. The choice of the activation energy is an attempt to achieve that as few / no molecules (1) with overlapping diffraction slices (2) on the camera arise (see 1a ). However, overlapping diffraction disks are accepted and can not be evaluated ((3) in 1b ). This results in regions in which the distance between the activated molecules is larger or much larger than the diffraction disc on the camera (4). Due to the statistical activation of the molecules, about 10,000 individual images must be evaluated for the generation of a high-resolution image to determine the positions of the molecules. As a result, large amounts of data must be processed and the measurement slowed down (about 1 min per high-resolution image). The billing of the individual images to a high-resolution image requires about 4 hours.

Die Anwendung des PALM-Verfahrens in der 3D-Abbildung bereitet Schwierigkeiten, da auch Moleküle außerhalb der Fokusebene aktiviert und damit geblichen werden, ohne dass ihr Fluoreszenzlicht bei der Bildgebung ausgenutzt werden könnte. Vor allem wird bei biologischen Proben im gesamten Fokuskegel Autofluoreszenzlicht angeregt, welches als Störsignal zu werten ist und den Kontrast extrem herabsetzt.The Application of the PALM method in 3D imaging presents difficulties as well as activating molecules outside the focal plane and be bleached without their fluorescent light in the Imaging could be exploited. Above all, will be at biological samples throughout the focus cone autofluorescent light stimulated, which is to be regarded as an interference signal and the Extremely low contrast.

Hierdurch wird die Aufnahme eines z-Scan verhindert, so dass keine 3D-Abbildung der Probe gewonnen werden kann.hereby The recording of a z-scan is prevented, so no 3D image the sample can be obtained.

Zur Vermeidung der Photoaktivierung und störender Autofluoreszenz außerhalb der Fokusebene wird in der WO2006/127692 die Verwendung einer Mehrphotonenanregung beschrieben. Diese Anordnung ist jedoch technisch aufwendig. Beispielsweise müssen die Farbstoffe (PA-GFP) nichtlinear aktivierbar sein und es müssen hohe Intensitäten eingesetzt werden, die zu Farbstoffschädigung bzw. Probenschädigung führen können.To avoid the photoactivation and disturbing autofluorescence outside the focal plane is in the WO2006 / 127692 described the use of multiphoton excitation. However, this arrangement is technically complicated. For example, the dyes (PA-GFP) must be non-linearly activatable and high intensities must be used which can lead to dye damage or sample damage.

Eine weitere eingesetzte Methode zur Vermeidung des Autofluoreszenz-Problems ist die Kombination des PALM-Verfahrens mit der TIRF-Technologie, wo das Anregungsvolumen in z-Richtung aufgrund der Beschränkung auf evaneszenten Wellen sehr klein gehalten wird. Mit TIRF ist allerdings keine 3D-Bildgebung machbar.Another method used to avoid the autofluorescence problem is the Kom Combination of the PALM method with the TIRF technology, where the excitation volume in the z-direction is kept very small due to the restriction to evanescent waves. With TIRF, however, no 3D imaging is feasible.

PALM bietet prinzipiell durch die ortsaufgelöste Detektion zunächst nur eine Verbesserung der lateralen Auflösung. Die axiale Auflösung ist in erster Linie durch die Ausdehnung der verwendeten Detektions-PSF bestimmt. Dies ist ein weiterer Grund für die Kombination von PALM mit der TIRF-Technologie, die eine hohe axiale Auflösung bietet (siehe auch WO2006/127692 ).Basically, PALM offers only an improvement of the lateral resolution due to the spatially resolved detection. The axial resolution is determined primarily by the extent of the detection PSF used. This is another reason for the combination of PALM with the TIRF technology, which offers a high axial resolution (see also WO2006 / 127692 ).

Neben PALM sind andere auflösungssteigernde Verfahren bekannt, in denen die Probe so beleuchtet wird, dass eine durch Fluoreszenz detektierbare Region entsteht, die kleiner ist, als es dem Beugungslimit nach Abbe entspricht.Next PALM, other resolution-enhancing methods are known, in which the sample is illuminated so that one by fluorescence Detectable region arises, which is smaller than the diffraction limit according to Abbe.

Dies gelingt durch eine nichtlineare Wechselwirkung nach verschiedenen Verfahren:

  • • Abregung zuvor angeregte Moleküle durch stimulierte Emission ( STED, Klar and Hell, Opt. Lett. 24 (1999) 954–956 )
  • • Abregung zuvor angeregte Moleküle durch Weiteranregung in einen höheren nicht fluoreszenzfähigen Zustand ( Excited State Absorption, Watanabe et al., Optics Express 11 (2003) 3271 )
  • • Entvölkerung des Grundzustandes durch Tripletbesetzung ( Ground State Depletion, Hell and Kroug, Appl. Phys. B 60 (1995), 495–497 )
  • • Schalten eines Farbstoffs zwischen einem fluoreszierenden und nicht fluoreszierenden, weniger fluoreszierenden oder anders (wie andere Emissionswellenlänge, Polarisation) gekennzeichneten fluoreszierenden Zustand ( Hell, Jakobs, and Kastrup, Appl. Phys. A 77 (2003) 859–860 )
This is achieved by a nonlinear interaction according to different methods:
  • Depletion of previously stimulated molecules by stimulated emission ( STED, clear and bright, Opt. Lett. 24 (1999) 954-956 )
  • Depletion of previously excited molecules by further excitation to a higher non-fluorescent state ( Excited State Absorption, Watanabe et al., Optics Express 11 (2003) 3271 )
  • • depopulation of the ground state by triplet occupation ( Ground State Depletion, Hell and Kroug, Appl. Phys. B 60 (1995), 495-497 )
  • Switching a dye between a fluorescent and non-fluorescent, less fluorescent or otherwise (like other emission wavelength, polarization) marked fluorescent state ( Hell, Jakobs, and Kastrup, Appl. Phys. A 77 (2003) 859-860 )

In der Regel handelt es sich dabei um punktscannende Verfahren, die Nachteile hinsichtlich einer schnellen Datenaufnahme bieten. Zudem wird die Probe in außerfokalen Bereichen unnötig belastet.In usually these are point-scanning methods that Disadvantages in terms of a fast data recording offer. moreover the sample becomes unnecessary in extra-focal areas loaded.

Heintzmann et al. ( R. Heintzmann, T. M. Jovin und C. Cremer, "Saturated patterned excitation microscopy – a concept for optical resolution improvement", JOSA A 19, 1599–1609 (2002) .) schlagen als weiteres Konzept zur Auflösungssteigerung einen nichtlinearen Prozess in Form der direkten Sättigung eines Fluoreszenzübergangs vor. Die erhöhte Auflösung beruht dabei auf einer periodisch gitterförmig strukturierten Beleuchtung der Probe, wodurch ein Transfer hoher Objektraumfrequenzen in den Bereich der optischen Übertragungsfunktion des Mikroskops erfolgt. Der Transfer kann indirekt durch theoretische Nachbearbeitung der Daten nachvollzogen werden. Auch bei diesen Verfahren ist als nachteilig anzusehen, dass die Probe in außerfokalen Bereichen unnötig belastet wird, da die strukturierte Beleuchtung den gesamten Probenraum durchsetzt. Außerdem ist das Verfahren derzeitig nicht bei dicken Proben einsetzbar, da die außerfokal angeregte Fluoreszenz als Untergrundsignal mit auf den Detektor gelangt und somit den Dynamikbereich reduziert. Heintzmann et al. ( R. Heintzmann, TM Jovin and C. Cremer, "Saturated patterned excitation microscopy - a concept for optical resolution improvement", JOSA A 19, 1599-1609 (2002) .) propose a nonlinear process in the form of direct saturation of a fluorescence transition as another concept for increasing the resolution. The increased resolution is based on a periodically grid-like patterned illumination of the sample, whereby a transfer of high spatial frequencies of the object takes place in the range of the optical transfer function of the microscope. The transfer can be followed indirectly by theoretical post-processing of the data. It is also disadvantageous in these methods that the sample is unnecessarily stressed in non-focal areas, since the structured illumination penetrates the entire sample space. In addition, the method is currently not applicable to thick samples, since the fluorescence excited out of focus as a background signal on the detector and thus reduces the dynamic range.

Gegenstand und Darstellung der ErfindungObject and presentation the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren zu vermeiden. Die Erfindung beschreibt Verfahren und Anordnung zur Realisierung eines PALM-Mikroskopes mit optimierter Photoaktivierung zur Realisierung einer höheren Bildrate. Gegenüber PALM wird eine Hochauflösung mit 3D-Bildgebung ohne nichtlineare Photoaktivierung erzielt. Eine PALM-TIRF-Kombination zur Reduktion der außerfokalen Autofluoreszenz ist nicht erforderlich.task The invention is the disadvantages of the methods described above to avoid. The invention describes methods and arrangement for Realization of a PALM microscope with optimized photoactivation to realize a higher frame rate. Across from PALM will be a high resolution 3D imaging with no nonlinear Photoactivation achieved. A PALM TIRF combination for reduction the extra-focal autofluorescence is not required.

Es kann die vorteilhafte Verwendung des MultiView-Verfahrens (mehrere Beleuchtungswinkel auf der Probe) zur Erzielung einer erhöhten Eindringtiefe und einer isotropen optischen Auslösung in x, y, z erfolgen.It can the beneficial use of the MultiView method (several Illumination angle on the sample) to achieve an increased Penetration depth and an isotropic optical release in x, y, z take place.

Es erfolgt eine Aktivierung entsprechend 2 möglichst vieler Moleküle ohne „Lücken" ((4) in 1b) und ohne dass sich die Beugungsscheibchen der Moleküle auf der Kamera überlagern ((3) in 1b). Setzt man die Beugungsscheibchen der Einzelmoleküle aneinander so ergibt sich vorzugsweise eine dichte Kugelpackung.There is an activation accordingly 2 as many molecules as possible without "gaps" ((4) in 1b ) and without the diffraction disks of the molecules being superimposed on the camera ((3) in 1b ). Substituting the diffraction discs of the individual molecules to each other so preferably results in a dense sphere packing.

Hierdurch wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit des PALM-Verfahrens und eine Reduktion der Anzahl der Einzelbilder erreicht.hereby will increase the speed of the PALM process and achieved a reduction in the number of frames.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen und ihre Wirkungen sowie Vorteile werden anhand der 37 näher beschrieben. Erfindungsgemäß wird vorteilhaft eine überraschend vorteilhafte Verbindung des SPIM-Verfahrens mit dem PALM-Verfahren vorgeschlagen.The arrangements according to the invention and their effects and advantages will be apparent from the 3 - 7 described in more detail. According to the invention, a surprisingly advantageous combination of the SPIM method with the PALM method is advantageously proposed.

3 zeigt schematisch von der Seite (Einstrahlungsrichtung gleich Blickrichtung) ein flächenhaftes Lichtblatt LB, auch Lichtscheibe genannt, das beispielsweise mit einer Zylinderlinse (O2 – ZL) erzeugt wird und durch die Probe (P) geht. 3 schematically shows from the side (direction of incidence equal viewing direction) a sheet-like light sheet LB, also called a lens, which is generated for example with a cylindrical lens (O2 - ZL) and passes through the sample (P).

Oberhalb der Probe befindet sich ein Objektiv O eines Mikroskopes, beispielsweise eines Weitfeldmikroskopes mit einer CCD Kamera, eines Laser-Scanning-Mikroskopes oder eines Mikroskops mit strukturierter Beleuchtung.Above The sample is an objective O of a microscope, for example a wide-field microscope with a CCD camera, a laser scanning microscope or a microscope with structured illumination.

Durch das seitlich in die Probe eingestrahltes Lichtblatt LB in Form des SPIM-Lichtblattes, das im Wesentlichen genau in der Fokusebene (F) des Objektivs O liegt, erfolgt in 3 eine Photoaktivierung senkrecht zur optischen Achse der Fluoreszenzanregung und -detektion. Die Fluoreszenzanregung kann hierbei nur innerhalb der Fokusebene (F) erfolgen. Die Fluoreszenzanregung und die Fluoreszenzdetektion erfolgt gemäß WO2006/127692 über das Mikroskopobjektiv O. Somit erfolgt eine lokalisierte Anregung in z-Richtung und es können Proben dreidimensional ohne nichtlineare Photoaktivierung mit dem PALM-Verfahren untersucht werden.By the side of the sample irradiated light sheet LB in the form of the SPIM light sheet, the Substantially located exactly in the focal plane (F) of the lens O takes place in 3 a photoactivation perpendicular to the optical axis of fluorescence excitation and detection. The fluorescence excitation can take place here only within the focal plane (F). Fluorescence excitation and fluorescence detection are performed according to WO2006 / 127692 via the microscope objective O. Thus, a localized excitation in the z-direction takes place and samples can be examined three-dimensionally without nonlinear photoactivation with the PALM method.

Die Breite des Lichtstrahls zur Photoaktivierung, d. h. seine Ausdehnung in z-Richtung, ist so angepasst, dass sie vorteilhaft kleiner oder gleich der durch die numerische Apertur des Objektivs O gegebenen axialen Ausdehnung der PSF ist. Hierdurch wird vorteilhaft vermieden, dass Fluoreszenzmoleküle außerhalb der Fokusebene aktiviert und geblichen werden. Zusätzlich kann eine Fluoreszenz nur noch aus dieser durch den Aktivierungsstrahl definierten Ebene kommen. Somit ist diese Anordnung inhärent 3D auflösend.The Width of the light beam for photoactivation, d. H. its extension in z-direction, is adapted so that it is advantageously smaller or equal to that given by the numerical aperture of the objective O. axial extent of the PSF. This advantageously prevents that fluorescence molecules outside the focal plane be activated and blanched. In addition, a fluorescence only from this plane defined by the activation beam come. Thus, this arrangement is inherently 3D-resolving.

Die Detektion erfolgt mit herkömmlichen Mitteln, wie beispielsweise durch klassische Weitfeldmikroskopie, konfokale Mikroskopie oder strukturierte Beleuchtung (ZEISS APOTOM).The Detection takes place by conventional means, such as by classical wide field microscopy, confocal microscopy or structured lighting (ZEISS APOTOM).

Allerdings besteht hier das Problem, dass der Anregungsstrahl über den gesamten Probenraum Autofluoreszenz anzuregen vermag. Dies kann dadurch verhindert werden, in 3 zusätzlich der Lichtstrahl zur Anregung der Fluoreszenz (nach Photoaktivierung) mit einem Lichtblatt (LB) senkrecht zur Detektion über O2 – ZL eingestrahlt wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass keine außerfokalen Autofluoreszenzsignale generiert werden, die sich störend auf die Bildgebung auswirken. Zusätzlich kann das Fluoreszenzlicht besonders effizient vom Anregungslicht getrennt detektiert werden, da keine spektrale Separierung mittels eines dichroitischen Strahlteilers erforderlich ist. Bei einigen schaltbaren Farbstoffen wie beispielsweise DENTRA erfolgt die Photoaktivierung und Fluoreszenzanregung mit der gleichen Wellenlänge. Dies kann hiermit besonders einfach realisiert werden.However, there is the problem here that the excitation beam is able to excite autofluorescence over the entire sample space. This can be prevented in 3 In addition, the light beam for excitation of the fluorescence (after photoactivation) is irradiated with a light sheet (LB) perpendicular to the detection via O2 - ZL. This ensures that no out-of-focus autofluorescence signals are generated that interfere with imaging. In addition, the fluorescent light can be detected particularly efficiently separated from the excitation light, since no spectral separation by means of a dichroic beam splitter is required. For some switchable dyes, such as DENTRA, photoactivation and fluorescence excitation occur at the same wavelength. This can be realized particularly easily hereby.

Es ist weiterhin eine Anordnung denkbar, in der die Photoaktivierung über das Objektiv O. und die Fluoreszenzanregung über das seitlich eingestrahlte Lichtblatt O2 erfolgt. Das Objektiv O dient weiterhin zur Detektion. Auch hier wird außerfokales Autofluoreszenzlicht vermieden. Außerfokale Autofluoreszenz, welche durch den Aktivierungsstrahl generiert wird, lässt sich spektral, insbesondere aber auch zeitlich (die Fluoreszenzanregung erfolgt nach der Aktivierung) von dem eigentlich interessierenden Fluoreszenzsignal separieren.It Furthermore, an arrangement is conceivable in which the photoactivation via the lens O. and the fluorescence excitation via the side irradiated light sheet O2 takes place. The lens O is still used for Detection. Here, too, becomes extra-focal autofluorescent light avoided. Extra-focal autofluorescence, which is caused by the Activation beam is generated, can be spectrally, but especially in time (the fluorescence excitation occurs after activation) of the fluorescence signal of interest separate.

Ein Problem stellt bei dieser Methode die Generierung von außerfokal aktivierten Molekülen dar. Es ist daher bei dieser Methode vorteilhaft, Moleküle einzusetzen, die sich nach der Aufnahme einer Bildebene über den gesamten Probenbereich z. B. durch eine Weitlichtbeleuchtung deaktivieren lassen.One Problem with this method is the generation of non-focal It is therefore in this method advantageous to use molecules that are absorbed after recording an image plane over the entire sample area z. B. by a Deactivate far-light illumination.

Die Aufnahme des hochaufgelösten Bildes erfolgt für die erfindungsgemäßen Anordnungen wie in WO2006/127692 beschrieben mit den obengenannten Schritten 1–4. Als aktivierbare Fluoreszenzfarbstoffe werden vorzugsweise aus dem Stand der Technik bekannte fluoreszierende Proteine wie PA-GFP oder auch DRONPA verwendet. Die Photoaktivierung erfolgt hierbei mit 405 nm, die Fluoreszenzanregung mit 488 nm und die Detektion im Bereich oberhalb von 490 nm. Weiterhin können auch reversibel schaltbare synthetische Farbstoffe wie Alexa/Cyan Konstrukte eingesetzt werden.The recording of the high-resolution image is carried out for the inventive arrangements as in WO2006 / 127692 described with the above-mentioned steps 1-4. The activatable fluorescent dyes used are preferably fluorescent proteins known from the prior art, such as PA-GFP or DRONPA. The photoactivation takes place here with 405 nm, the fluorescence excitation at 488 nm and the detection in the range above 490 nm. Furthermore, reversibly switchable synthetic dyes such as Alexa / Cyan constructs can be used.

In 4a ist schematisch eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einer Beleuchtung mittels zweier Lichtblätter LB 1 und LB 2 dargestellt. Durch die interferometrische Überlagerung von Lichtblättern aus mehreren Richtungen (aber in der durch die Detektion definierten Fokusebene) entsteht ein Interferenzmuster entlang der eingezeichneten x-Richtung in der Fokusebene. Die Lichtblätter können wiederum Laserlicht zur Photoaktivierung und/oder Fluoreszenzanregung enthalten. Durch die Überlagerung bildet sich ein so genanntes Stehwellenfeld (SW), welches schematisch in 4b als Streifenmuster gezeigt ist. Werden beispielsweise zwei Lichtblätter für die Photoaktivierung verwendet, so kann erreicht werden, dass der Abstand der zu aktivierenden Fluoreszenzemitter größer oder gleich der Breite der PSF der Detektion (O in 4a) ist. Hierdurch entstehen vorzugsweise keine sich entlang der x-Richtung räumlich überlagernden Fluoreszenzemitter, die zusätzlich in der z-Richtung am Ort der Fokusebene F lokalisiert sind. Die Detektion erfolgt wiederum analog der Anordnung nach 3. Ein Verschieben des Stehwellenfeldes in der Fokusebene zur Beleuchtung der Probe in den Intensitätsminima erfolgt durch die Einstellung der relativen Phase zwischen den beiden Lichtblättern beispielsweise mit einem Phasenmodulator (PH).In 4a schematically another arrangement according to the invention with a lighting by means of two light sheets LB 1 and LB 2 is shown. The interferometric superimposition of light sheets from several directions (but in the focal plane defined by the detection) results in an interference pattern along the marked x-direction in the focal plane. The light sheets may in turn contain laser light for photoactivation and / or fluorescence excitation. Due to the superimposition, a so-called standing wave field (SW) forms, which is schematically shown in FIG 4b is shown as a striped pattern. If, for example, two sheets of light are used for the photoactivation, it can be achieved that the spacing of the fluorescence emitters to be activated is greater than or equal to the width of the PSF of the detection (O in FIG 4a ). As a result, preferably no fluorescence emitters spatially superimposed along the x-direction, which are additionally located in the z-direction at the location of the focal plane F. The detection is again analogous to the arrangement according to 3 , A displacement of the standing wave field in the focal plane to illuminate the sample in the intensity minima is done by adjusting the relative phase between the two sheets, for example with a phase modulator (PH).

Bei Verwendung von 2 Strahlen entsteht durch Interferenz eine streifenförmige, in x und z lokalisierte Aktivierung. Bei Einstrahlung von mehr als zwei, vorteilhaft drei Lichtblättern LB 1 bis LB 3 (120° Winkel) entsteht wie in 5 dargestellt ein Punktmuster PM, das heißt eine in x, z und y lokalisierte Aktivierung, so dass der Abstand (1) der aktivierten Fluoreszenzemitter größer oder gleich der Breite der PSF der Detektion (O in 4a) ist. Die Fluoreszenzanregung kann vorzugsweise ebenfalls über eines oder mehrere Lichtblätter erfolgen, wodurch wiederum außerfokale Autofluoreszenz vermieden wird.When 2 beams are used, interference causes stripe-shaped activation located in x and z. Upon irradiation of more than two, advantageously three sheets LB 1 to LB 3 (120 ° angle) is formed as in 5 12 illustrates a dot pattern PM, that is, an activation located in x, z, and y such that the distance (1) of the activated fluorescence emitters is greater than or equal to the width of the PSF of the detection (O in FIG 4a ). The fluorescence excitation can preferably also take place via one or more light sheets, which in turn avoids extra-focal autofluorescence.

Die Fluoreszenzanregung aus Richtung O in 4a kann auch in einer oder mehreren Richtungen strukturiert sein und beispielsweise auch ein Lochmuster aufweisen (Strukturierung in x und y). Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Abstand der Fluoreszenzemitter größer oder gleich der Breite der PSF der Detektion ist. Eine derartige Strukturierung kann beispielsweise mit einer Gitterstruktur erfolgen ( DE 10257237A1 ) oder mit einer Multispotanregung ( DE 10 2006 017 841 ) erfolgen.Fluorescence excitation from direction O in 4a can also be structured in one or more directions and, for example, also have a hole pattern (structuring in x and y). In this way it can be ensured that the distance of the fluorescence emitters is greater than or equal to the width of the PSF of the detection. Such structuring can be carried out, for example, with a lattice structure ( DE 10257237A1 ) or with a multispot excitation ( DE 10 2006 017 841 ) respectively.

Weiterhin kann die Photoaktivierung über das Objektiv O. erfolgen und die Fluoreszenzanregung mit mehreren Lichtscheibenstrahlen realisiert werden, die ein Interferenzmuster der oben beschriebenen Art ausbilden. Moleküle, die mit sich überlappenden Beugungsscheibchen aktiviert wurden, werden so unterschiedlich stark angeregt. Auch auf diese Weise werden Lücken im Kamerabild vermieden. Durch den Aktivierungsstrahl generierte Autofluoreszenz lässt sich zeitlich und/oder spektral separieren. Nach der Aufnahme einer Ebene muss für 3D-Aufnahmen eine Deaktivierung über den Probenbereich erfolgen.Farther photoactivation can be done via the lens O. and the fluorescence excitation can be realized with a plurality of light disk beams, which form an interference pattern of the type described above. Molecules with overlapping diffraction slices activated, are stimulated to different degrees. Also In this way, gaps in the camera image are avoided. By the activation beam generated autofluorescence leaves Separate temporally and / or spectrally. After taking a Layer needs to be disabled for 3D shooting take place the sample area.

Erfolgt die Photoaktivierung durch das Objektiv O, so kann die strukturierte Aktivierung auch durch eine spezielle Abbildung (z. B. eines Gitters – wie oben beschrieben) oder durch einen Scan-Mechanismus realisiert werden. Der Lichtstrahl kann hierzu beispielsweise das Bildfeld abtasten und wird in seiner Intensität während der Bewegung durch beispielsweise einen schnellen AOTF so verändert, dass ein Aktivierungsmuster beispielsweise entsprechend 5 in der Fokusebene entsteht. Bei diesem Verfahren werden allerdings auch Moleküle außerhalb der Fokusebene aktiviert. Durch eine seitliche Lichtblatt-Fluoreszenzanregung kann sichergestellt werden, dass dennoch nur Fluoreszenz aus der Fokusebene detektiert wird. Nach der Aufnahme einer Ebene muss für 3D-Aufnahmen allerdings eine Deaktivierung über den Probenbereich erfolgen. Die Intensität des Aktivierungsstrahls ist idealerweise so zu wählen, dass im statistischen Mittel nur ein Molekül pro Aktivierungsspot (entspricht ca. PSF-Größe) angeregt wird. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit vermindert, dass 2 Moleküle mit sich überlagernden Beugungsscheibchen gleichzeitig aktiviert werden. Im Verlauf der Bildaufnahme muss das Aktivierungsmuster selbstverständlich phasenverschoben werden, damit alle Moleküle gleichmäßig aktiviert werden. Durch den Aktivierungsstrahl generierte Autofluoreszenz lässt sich zeitlich und/oder spektral separieren. Die Aktivierungsintensitäten sind in der Regel aber so klein, dass Autofluoreszenz keine Rolle spielen sollte.If the photoactivation is carried out by the objective O, the structured activation can also be realized by a specific imaging (eg of a grating - as described above) or by a scanning mechanism. For this purpose, the light beam can, for example, scan the image field and its intensity during the movement is changed by, for example, a fast AOTF such that an activation pattern corresponds, for example, accordingly 5 arises in the focal plane. In this method, however, molecules are also activated outside the focal plane. By a lateral light sheet fluorescence excitation can be ensured that still only fluorescence is detected from the focal plane. However, once a plane has been captured, it must be disabled for 3D imaging over the sample area. The intensity of the activation beam is ideally chosen so that on average only one molecule per activation spot (equivalent to approx. PSF size) is excited. This reduces the likelihood that 2 molecules with overlapping diffraction slices will be activated simultaneously. In the course of image acquisition, the activation pattern must of course be phase-shifted, so that all molecules are activated evenly. Autofluorescence generated by the activation beam can be separated temporally and / or spectrally. The activation intensities are usually so small that autofluorescence should not play a role.

Der Photoaktivierungs- und Fluoreszenzanregungsstrahl können hierbei vertauscht werden. Dies hat den Vorteil, dass außerhalb der Fokusebene keine Photoaktivierung geschieht. Dazu kann die Aktivierung unstrukturiert über das Lichtblatt und die Anregung auf die PSF abgestimmt strukturiert über das Objektiv durchgeführt werden. Moleküle, die mit sich überlappenden Beugungsscheibchen aktiviert wurden, werden so unterschiedlich stark angeregt. Auch auf diese Weise können Lücken im Kamerabild vermieden werden. Allerdings besteht hier das Problem der außerfokalen Autofluoreszenz.Of the Photoactivation and fluorescence excitation beam can be exchanged here. This has the advantage of being outside the focal plane no photoactivation happens. This can be the activation unstructured over the light sheet and the excitation on the PSF matched structured over the lens performed become. Molecules with overlapping diffraction slices activated, are stimulated to different degrees. On too this way, gaps in the camera image can be avoided become. However, there is the problem of the extra-foci Autofluorescence.

Ein Problem bei allen beschriebenen Varianten stellt die axiale Auflösung dar, die im SPIM-Verfahren generell durch die Breite des verwendeten Lichtblattes bestimmt ist. Da die zu dessen Erzeugung verwendete NA in der Regel sehr viel kleiner als die NA des Detektionsobjektivs ist, ergibt sich direkt das Problem einer stark elongierten System-PSF (laterale Ausdehnung bestimmt durch die Auflösung des PALM-Verfahrens (Nanometer-Bereich), axiale Ausdehnung bestimmt durch die Lichtblattbreite (Micrometer-Bereich). Dies bereitet Nachteile bei der 3D-Abbildung. Mit Hilfe der aus dem Stand der Technik bekannten Multiview-Technik (Aufnahme von Stapeln aus unterschiedlichen Winkeln) kann dieses Problem umgangen werden und eine effektive, weitgehend homogene räumliche Auflösung entsprechend der lateralen PALM-Auflösung erzeugt werden.One Problem with all variants described is the axial resolution in the SPIM process generally by the width of the light sheet used is determined. As the NA used to generate it usually much smaller than the NA of the detection lens is directly address the problem of a highly elongated system PSF (lateral Extension determined by the resolution of the PALM method (Nanometer range), axial extent determined by the leaf width (Micrometer range). This causes disadvantages in 3D imaging. With the help of known from the prior art multiview technology (Picking up stacks from different angles) may cause this problem be bypassed and an effective, largely homogeneous spatial Resolution according to the lateral PALM resolution be generated.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn die photoaktivierten Moleküle in den Randbereichen des zur Aktivierung verwendeten Lichtblattes durch ein weiteres strukturiertes Lichtblatt im Sinne einer nichtlinearen Wechselwirkung wieder deaktiviert werden, um eine höhere z-Auflösung zu erzielen. Dies kann durch eines der oben beschriebenen Verfahren, vorzugsweise einen Schaltprozess geschehen. Als Deaktivierungsstrahl kann ebenfalls ein Lichtblatt verwendet werden, dass aber so strukturiert ist, dass es in der Fokusebene über den Bereich des zu beobachtenden Bildbereichs eine Nullstelle aufweist, wie in 6 gezeigt. Die Pupillen-Intensitätsverteilung (I) des Lichtblattstrahls entspricht hier einer Linie, welche durch eine geeignete Optik (z. B. mit Powell-Linse) zuvor erzeugt wurde. In der Pupille ist eine Phasenplatte (II) eingebracht, die über die Hälfte der Linie einen Bereich (III) aufweist, der einen pi-Phasensprung erzeugt. Das in der xy-Ebene ausgedehnte Lichtblatt (V) wird durch eine geeignete Optik (IV) erzeugt. Es ergibt sich im Bereich der Schärfentiefe der Beleuchtungsoptik (IV) eine Nullstellenebene (VI) parallel zur Fokusebene der Detektionsoptik (VII), in der keine Moleküle abgeregt werden. Entsprechend den STED-artigen Verfahren kann hierdurch die axiale Ausdehnung des Lichtblattes mit photoaktivierten Molekülen in nichtlinearer Weise stark eingeschränkt und die axiale Auflösung verbessert werden.It proves to be particularly advantageous if the photoactivated molecules in the edge regions of the light sheet used for activation are deactivated again by a further structured light sheet in the sense of a nonlinear interaction in order to achieve a higher z resolution. This can be done by one of the methods described above, preferably a switching process. A light sheet may also be used as the deactivation beam, but is structured in such a way that it has a zero point in the focal plane over the area of the image area to be observed, as in FIG 6 shown. The pupil intensity distribution ( I ) of the light-beam corresponds here to a line, which was previously generated by a suitable optics (eg with Powell lens). In the pupil is a phase plate ( II ), which covers one half of the line ( III ) which produces a pi-phase jump. The light sheet extended in the xy plane ( V ) is replaced by a suitable optic ( IV ) generated. This results in the range of the depth of field of the illumination optics ( IV ) a zero level ( VI ) parallel to the focal plane of the detection optics ( VII ), in which no molecules are de-energized. According to the STED-like methods, this can severely restrict the axial extent of the light sheet with photoactivated molecules in a nonlinear manner and improve the axial resolution.

7 zeigt ein allgemeines optischen Ausführungsbeispiel zur Verwendung der beschriebenen vorteilhaften Verfahren und Applikationen mit Photoaktivierung/-deaktivierung über (x-Richtung strukturiertes) Lichtblatt und CCD-Weitfelddetektion. 7 shows a general optical out Example of the use of the described advantageous methods and applications with photoactivation / deactivation on (x-direction structured) light sheet and CCD wide-field detection.

Die Probe ist beispielsweise mit Dronpa markiert und kann über 405 nm angeschaltet (aktiviert) werden und mit 488 nm angeregt bzw. wieder ausgeschaltet werden. Die Laser (1) sind für 405 nm (Photoaktivierung) und 488 nm (Fluoreszenzanregung und Photodeaktivierung) vorgesehen und werden über eine Strahlvereinigung (2) und dichroitische Spiegel vereinigt. Für die Fotoaktivierung und Fluoreszenzanregung kann auch ein- und dieselbe Wellenlänge wie oben am Beispiel DENTRA erläutert verwendet werden. Hierdurch kann dann ein Laser (405 nm in diesem Falle) und die Strahlvereinigung (2) entfallen.The sample is marked, for example, with Dronpa and can be turned on (activated) above 405 nm and excited at 488 nm or switched off again. The lasers ( 1 ) are provided for 405 nm (photoactivation) and 488 nm (fluorescence excitation and photodeactivation) and are transmitted via a beam union ( 2 ) and dichroic mirrors united. For photoactivation and fluorescence excitation, it is also possible to use one and the same wavelength as explained above using the example of DENTRA. This allows a laser (405 nm in this case) and the beam combination ( 2 ) accounted for.

Ein AOTF (3) dient zur Wellenlängenselektion und zum schnellen Schalten/Abschwächen der Laserwellenlängen. Ihm ist in Beleuchtungsrichtung vorzugsweise eine drehbare lambda/2-Platte (4) und ein Polteiler (PBS) (5) mit Faserankopplung für 2 Kanäle nachgeordnet. Durch Drehung der lambda/2 Platte kann die Leistung in den beiden Kanälen eingestellt werden.An AOTF ( 3 ) is used for wavelength selection and fast switching / attenuation of the laser wavelengths. It is preferably a rotatable lambda / 2 plate in the illumination direction ( 4 ) and a pole splitter (PBS) ( 5 ) arranged downstream with fiber coupling for 2 channels. By turning the lambda / 2 plate, the power in the two channels can be adjusted.

Über die singlemodigen Fasern (6) wird das Licht über Zylinderoptiken (7) zur Erzeugung eines Lichtblattes und Abbildungsoptiken (8) über Strahlengänge (10) bzw. (11) zur Photoaktivierung (oder auch Deaktivierung bzw. Anregung) auf die Probe (12) eingestrahlt. Zur Erzeugung von Nullstellen in der Fokusebene (x-Strukturierung) gemäß 4 sind die optischen Weglängen entsprechend angepasst. Ein Verschieben des Stehwellenfeldes in der Fokusebene zur Beleuchtung der Probe in den Intensitätsminima erfolgt durch die Einstellung der relativen Phase zwischen den beiden Lichtblättern beispielsweise mit einem Phasenmodulator (PH).About the single-mode fibers ( 6 ) the light is transmitted via cylindrical optics ( 7 ) for generating a light sheet and imaging optics ( 8th ) via optical paths ( 10 ) respectively. ( 11 ) for photoactivation (or deactivation) on the sample ( 12 ). For generating zeros in the focal plane (x-patterning) according to 4 the optical path lengths are adjusted accordingly. A displacement of the standing wave field in the focal plane to illuminate the sample in the intensity minima is done by adjusting the relative phase between the two sheets, for example with a phase modulator (PH).

Das in der Probe (12) erzeugte Licht wird über ein Detektionsobjektiv (13) (Mikroskopobjektiv) in einem Detektionsstrahlengang (14) über eine Tubuslinse (15) und Emissionsfilter (16) mittels einer CCD-Kamera detektiert. Im Detektionsstrahlengang ist gestrichelt ein optionaler (einschwenkbarer) Farbteiler (18) zur Einspiegelung eines Lasers (22) oder einer Weitfeldlichtquelle (23) dargestellt, falls die Fluoreszenzanregung durch das Detektionsobjektiv erfolgt. Zwischen Laser und Weitfeldlichtquelle kann optional mit Hilfe eines einschwenkbaren Spiegels (20) gewählt werden. Der Laser (22) bzw. die Weitfeldlichtquelle (23) kann auch zu Aktivierung benutzt werden, wobei dann statt einer Wellenlänge von 488 nm eine Wellenlänge von 405 nm vorzusehen ist, wenn DRONPA als Farbstoff verwendet wird. Insbesondere ist für den Laserstrahlengang (22) eine Scannereinheit (21) vorgesehen, welche ein punktförmiges Abrastern des Bildfeldes erlaubt. Zwischen der Scannereinheit (21) und dem Farbteiler (18) ist eine hierfür angepasste Abbildungsoptik (19) vorgesehen.That in the sample ( 12 ) is transmitted via a detection objective ( 13 ) (Microscope objective) in a detection beam path ( 14 ) via a tube lens ( 15 ) and emission filters ( 16 ) detected by means of a CCD camera. Dashed in the detection beam path is an optional (swivelable) color splitter ( 18 ) for the reflection of a laser ( 22 ) or a wide field light source ( 23 ), if the fluorescence excitation is effected by the detection objective. Between laser and wide-field light source can optionally be adjusted with the help of a retractable mirror ( 20 ) to get voted. The laser ( 22 ) or the wide field light source ( 23 ) can also be used for activation, in which case instead of a wavelength of 488 nm, a wavelength of 405 nm is to be provided when DRONPA is used as the dye. In particular, for the laser beam path ( 22 ) a scanner unit ( 21 ), which allows a punctiform scanning of the image field. Between the scanner unit ( 21 ) and the color divider ( 18 ) is an adapted imaging optics ( 19 ) intended.

Für die oben anhand von 6 beschriebene z-Strukturierung des Lichtblatts können Phasenplatten (9) in die Beleuchtungsstrahlengänge eingebracht werden.For the above based on 6 described z-structuring of the light sheet can phase plates ( 9 ) are introduced into the illumination beam paths.

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Claims (38)

Vorrichtung, insbesondere ein Mikroskop, charakterisiert durch ein beugungsbegrenztes Auflösungsvolumen, mit mehreren zwischen unterschiedlichen Zuständen umschaltbaren Farbstoffmolekülen (UF), wobei mindestens ein Zustand fluoreszierend ist, die Fluoreszenz mit einem Objektiv (O) gesammelt und mit einem optischen System auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet wird, wobei die UF in mindestens einem Teil der Probe eine Verteilungsdichte aufweisen, die größer ist als das Inverse des beugungsbegrenzten Auflösungsvolumens; einer oder mehrere Lichtquellen zur Aussendung einer Umschaltstrahlung, um eine erste Untermenge der UF in der Probe umzuschalten und zur Aussendung einer Anregungsstrahlung, um die erste Untermenge der UF anzuregen, wobei mindestens eine der Lichtquellen derart angeordnet ist, dass sie die Probe durchstrahlt und eine Umschaltung und/oder Fluoreszenzanregung der UF in der Probe zumindest in einer Richtung annähernd senkrecht zur optischen Achse und insbesondere im Fokus des Objektives (O) erfolgt.Device, in particular a microscope, characterized by a diffraction-limited resolution volume, With several switchable between different states Dye molecules (UF), wherein at least one state fluorescent is, the fluorescence collected with a lens (O) and with a optical system imaged on a spatially resolving detector becomes, wherein the UF in at least a portion of the sample a Have distribution density that is greater than that Inverse of the diffraction-limited resolution volume; one or several light sources for emitting a switching radiation, to toggle a first subset of the UF in the sample and to Emitting an excitation radiation to the first subset of To stimulate UF, in which at least one of the light sources in such a way is arranged to irradiate the sample and a switch and / or fluorescence excitation of the UF in the sample at least in one Direction approximately perpendicular to the optical axis and in particular in the focus of the objective (O). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umschaltung eine Photoaktivierung oder -deaktivierung der UF ist.Apparatus according to claim 1, wherein the switching a photoactivation or deactivation of the UF. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ansteuerungseinheit zur Kontrolle der Umschaltstrahlung vorgesehen ist, um zu gewährleisten, dass die Verteilungsdichte der sich im fluoreszierenden Zustand befindenden UF kleiner als das Inverse des beugungsbegrenzten Auflösungsvolumens der Vorrichtung ist.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein a driving unit for control the switching radiation is provided to ensure that the distribution density is in the fluorescent state UF is less than the inverse of the diffraction-limited resolution volume the device is. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die Lichtquelle zur Umschaltung und/oder die Lichtquelle zur Anregung eine Fokussieranordnung zur Erzeugung eines in Richtung der Beleuchtung ausgedehnten zumindest in einer Richtung zumindest annähernd senkrecht zur optischen Achse des Objektivs linienartigen Beleuchtungsbereiches vorgesehen ist.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein for the light source for switching and / or the light source for exciting a focusing arrangement for Generation of one in the direction of lighting extended at least in one direction at least approximately perpendicular to the optical Axis of the lens line-like illumination area provided is. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein flächiges Lichtblatt mit der Fokussieranordnung erzeugt wird, das die Probe durchstrahlt und zumindest annähernd senkrecht zur optischen Achse des Objektivs ist.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein a flat sheet of light with the focusing arrangement is generated, which irradiates the sample and at least approximately perpendicular to the optical axis of Lens is. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Fokussieranordnung eine astigmatische und/oder asphärische Optik ist.Apparatus according to claim 5, wherein the focusing arrangement is an astigmatic and / or aspheric optic. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zur Umschaltung und Anregung eingesetzten Lichtquellen in einer in der Wellenlänge umschaltbaren Lichtquelle vereinigt sind.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein the used for switching and stimulation Light sources in a wavelength switchable Light source are united. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zur Umschaltung und Anregung eingesetzten Lichtquellen die gleiche Wellenlänge aufweisen.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein the used for switching and stimulation Light sources have the same wavelength. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei verschiedene Lichtquellen mit einer Wellenlänge zur Umschaltung und Anregung vorgesehen sind.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein different light sources with one wavelength are provided for switching and stimulation. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen zur Anregung und/oder Umschaltung aus verschiedenen Richtungen vorgesehen sind.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein a plurality of light sources for excitation and / or Switching from different directions are provided. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwei einander gegenüberliegende Lichtquellen vorgesehen sind.Device according to at least one of the preceding Claims wherein two opposing ones Light sources are provided. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens drei aus verschiedenen Richtungen einstrahlende Lichtquellen vorgesehen sind.Device according to at least one of the preceding Claims, with at least three from different directions Incident light sources are provided. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen durch Aufspaltung des Lichtes einer Lichtquelle gebildet sind.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein multiple light sources by splitting the light of a light source are formed. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen zur Erzeugung von Interferenz gleiche Wellenlängen aufweisen.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein a plurality of light sources for generating Interference have the same wavelengths. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Lichtquelle seitlich eingestrahlt wird und geeignete optische Mittel vorgesehen sind, die zu einer Strukturierung in Richtung der Detektion führen.Device according to at least one of the preceding Claims, wherein at least one light source radiated laterally and suitable optical means are provided, which leads to a Structuring lead in the direction of detection. Verfahren zum räumlich hochauflösenden Abbilden einer Struktur einer Probe, mit den Schritten: Auswählen einer Substanz aus einer Gruppe von Substanzen, die mit einem Umschaltsignal mindestens einmal aus einem ersten Zustand mit ersten optischen Eigenschaften in einen zweiten Zustand mit zweiten optischen Eigenschaften überführbar sind. Überführen wechselnder Anteile der Substanz mit dem Umschaltsignal in den zweiten Zustand, wobei die Umschaltung so erfolgt, dass der Abstand zwischen umgeschalteten Molekülen größer gleich der beugungsbegrenzten optischen Auflösung des Mikroskops ist. Anregen der in den zweiten Zustand überführten Anteile und Lokalisieren der Moleküle mit einem ortsauflösenden Detektor, räumlich aufgelöstes Registrieren eines optischen Mess-Signals über ein Objektiv mit einem Detektor, das von den im zweiten Zustand befindlichen Farbstoffmolekülen ausgeht, wobei mindestens die Überführung in den zweiten Zustand und/oder die Anregung zumindest näherungsweise senkrecht zur Detektionsrichtung und/oder zur optischen Achse des Objektives erfolgt.A method for spatially high-resolution imaging of a structure of a sample, comprising the steps of: selecting a substance from a group of substances which can be converted with a switching signal at least once from a first state with first optical properties into a second state with second optical properties. Transferring changing proportions of the substance with the switching signal in the second state, wherein the switching takes place so that the distance between switched molecules is greater than or equal to the diffraction-limited optical resolution of the microscope. Stimulating the transferred to the second state An parts and localization of the molecules with a spatially resolving detector spatially resolved registering an optical measurement signal via a lens with a detector emanating from the dye molecules located in the second state, wherein at least the transition to the second state and / or the excitation at least approximately takes place perpendicular to the detection direction and / or to the optical axis of the lens. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Deaktivierung der Moleküle aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand erfolgt.The method of claim 16, wherein a deactivation of the molecules from the second state to the first state he follows. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die Lichtquelle zur Überführung in den zweiten Zustand und/oder die Lichtquelle zur Anregung durch Fokussierung eine in Richtung der Beleuchtung zumindest in einer Richtung linienartig ausgedehnten Beleuchtungsbereiches erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein for the light source for transfer in the second state and / or the light source for excitation by Focusing one towards the lighting at least in one Direction linearly extended illumination area takes place. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Beleuchtungsbereich eine linienförmige Lichtverteilung im Sehfeld des Objektivs darstellt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the illumination area is a linear Represents light distribution in the field of view of the lens. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Beleuchtungsbereich ein flächiges Lichtblatt im Sehfeld des Objektivs darstellt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the illumination area is a planar Light leaf in the field of view of the lens represents. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Überführung in den zweiten Zustand durch Photoaktivierung erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein a transfer in the second state by photoactivation. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Anregung durch Fluoreszenzanregung erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims wherein excitation by fluorescence excitation he follows. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens die Photoaktivierung und/oder die Fluoreszenzanregung senkrecht zur Fluoreszenzdetektion erfolgen.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein at least the photoactivation and / or the fluorescence excitation perpendicular to fluorescence detection done. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 1. Eine Photoaktivierung von Einzelmolekülen erfolgt, indem die Fluoreszenzeigenschaften der Moleküle geändert werden, wobei die Aktivierung so erfolgt, dass der Abstand zwischen aktivierten Molekülen größer gleich der optischen Auflösung des Mikroskops ist, 2. Eine Anregung der aktivierten Moleküle und Lokalisieren der Moleküle mit einem ortsauflösenden Detektor erfolgt, 3. Eine Deaktivierung der aktivierten Moleküle erfolgt und 4. eine Wiederholung der Schritte 1–3 erfolgt, wobei durch Überlagerung von Detektionsbildern ein hochaufgelöstes Bild zusammengesetzt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, in which 1. A photoactivation of Single molecules take place by the fluorescence properties the molecules are changed, with activation so that takes the distance between activated molecules greater than the optical resolution the microscope is, 2. An excitation of the activated molecules and localizing the molecules with a spatially resolving one Detector takes place, 3. Deactivation of the activated molecules he follows and 4. a repetition of steps 1-3 takes place, whereby by superposition of detection images a high-resolution image is composed. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 1. Eine Photoaktivierung von Einzelmolekülen über mindestens ein Lichtblatt erfolgt, indem die Fluoreszenzeigenschaften der Moleküle geändert werden, 2. Eine Deaktivierung von Molekülen mittels eines in z-Richtung strukturierten Lichtblatts erfolgt, so dass die Schicht der aktivierten Moleküle in z-Richtung weniger ausgedehnt ist, als es dem Abbeschen Auflösungsvermögen der Detektionsoptik bzw. der numerischen Apertur der Beleuchtungsoptik entspricht, 3. Eine Anregung der aktivierten Moleküle und Lokalisieren der Moleküle mit einem ortsauflösenden Detektor erfolgt, 4. Eine Deaktivierung der aktivierten Moleküle erfolgt und 5. eine Wiederholung der Schritte 1–4 erfolgt, wobei durch Überlagerung von Detektionsbildern ein hochaufgelöstes Bild zusammengesetzt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, in which 1. A photoactivation of Single molecules via at least one light sheet takes place by the fluorescence properties of the molecules to be changed 2. Deactivation of molecules by means of a light sheet structured in the z-direction, so that the layer of activated molecules in z-direction less extensive than Abbe's resolution capacity the detection optics or the numerical aperture of the illumination optics corresponds, 3. An excitation of the activated molecules and localizing the molecules with a spatially resolving one 4. Detection of the activated molecules he follows and 5. a repetition of steps 1-4 takes place, whereby by superposition of detection images a high-resolution image is composed. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivierung und/oder Anregung eines Probenbereichs von einer Seite erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the activation and / or stimulation of a Sample area from one side. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivierung und/oder Anregung eines Probenbereichs von gegenüberliegenden Seiten erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the activation and / or stimulation of a Sample area is made from opposite sides. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivierung und/oder Anregung eines Probenbereichs von mehr als zwei Seiten, vorzugsweise von 3 Seiten erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the activation and / or stimulation of a Sample area of more than two sides, preferably of 3 sides he follows. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen zur Erzeugung von Interferenz gleiche Wellenlängen aufweisen.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein a plurality of light sources for generating Interference have the same wavelengths. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch zwei Lichtquellen und Interferenz ein Streifenmuster in der Probe erzeugt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein by two light sources and interference a stripe pattern is generated in the sample. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch mindestens drei Lichtquellen und Interferenz ein Punktmuster in der Probe erzeugt wird. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein at least three light sources and Interference a dot pattern is generated in the sample. method according to at least one of the preceding claims. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen durch Aufspaltung des Lichtes einer Lichtquelle gebildet sind.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein multiple light sources by splitting the light of a light source are formed. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Anregung durch das Objektiv und die Aktivierung über das Lichtblatt erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein a stimulation by the lens and the Activation takes place via the light sheet. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Anregung und Aktivierung über das Lichtblatt erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, with stimulation and activation over the light sheet takes place. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anregungslicht eine Strukturierung aufweist.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the excitation light structuring having. Verfahren nach Anspruch 36, wobei eine Strukturierung durch ein im Anregungsstrahlengang angeordnetes Gitter erzeugt ist.The method of claim 36, wherein structuring is produced by a grid arranged in the excitation beam path. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anregungslicht eine Punktverteilung (Multispot) aufweist.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the excitation light is a point distribution (Multispot). Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivierung durch das Objektiv und die Anregung über das Lichtblatt erfolgt und das Aktivierungslicht durch eine modulierte Scanbewegung oder eine Gitterabbildung eine Punktverteilung aufweist.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the activation by the lens and the excitation is via the light sheet and the activation light by a modulated scanning movement or a grating image a point distribution having.
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